（物理化学专业论文）利用半胱氨酸制备生物相容性纳米颗粒的研究.pdf

摘要 纳米材料的生物相容性问题一直是材料化学家面临的挑战。近年来，大量的生物性 质的材料，例如肽、d n a 、蛋白质、生物微组织等，都已被广泛的应用于纳米材料的 制备和组装中。氨基酸是构成生物体蛋白质并同生命活动有关的最基本的物质，本文以 半胱氨酸为研究对象开展了以下两方面的工作： ( 1 ) 在超声条件下，通过调节半胱氨酸溶液的浓度和p h 值制备了具有不同形貌和 尺寸的胱氨酸的纳米和微米结构，如球形、棒状、纺锤形等等。值得一提的是，成功合 成了2 2 5 吼高度单分散的球形胱氨酸纳米颗粒。并通过x 一射线衍射、红外光谱及圆 二色光谱对产物及不同p h 值条件下的胱氨酸分子在水溶液中结合的结构情况进行表 征，并考察了球形胱氨酸颗粒的稳定性。 ( 2 ) 成功的通过简单的一步法水相合成了具有生物相容性的胱氨酸包覆的大尺寸金 颗粒。在反应过程中，半胱氨酸作为还原剂，通过巯基氧化形成胱氨酸，胱氨酸的氨基 与合成的金颗粒表面结合达到保护纳米金颗粒和限制其尺寸的目的。通过调节反应物的 配比、溶液的p h 值得到不同形貌和尺寸的纳米金颗粒，且考察了不同实验环境下纳米 金颗粒的稳定性。x p s 分析确认了反应产物的化学成分以及胱氨酸的氨基与纳米金颗粒 表面的化学键的形成。此外通过f t i r 分析表征了胱氨酸分子间氢键在不同p h 值环境 下的变化。 关键词：半胱氨酸；胱氨酸；纳米金颗粒；超声；生物相容性 a b s t r a c t 1 1 1 eb i o c o m p a t i b i l 时o fi 埘瑚1 a t e r i a l si s0 n e o f 恤c 砌l e n 百n gi s s u e s 缸e d b ys 灿e t i c c h 删s t s r e c e n t l y ，al a 略em m l b e ro fb i o m a t e r i a l sl l a v eb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e dt op r o d u c e a r l d 嬲s e i i l _ b l en 锄o m a t e r i a l s ，f o re x 锄p l e ，p 印t i d e ，d n a ，p t e i i l ，m i c m o r g a l l i s m a 嘶n o a c i d si st h em o s tb a s i cs u b s t 锄i c et h a tf o mo 玛a n i s m sa 1 1 dp r o t e i n s ，w h i c hi sa l s or e l a t e dt o l i f ca c t i v i t i e s h l l i sp 印e r ，c y s t e i n eh a sb e e ns t u d i e da n dc 枷e do u t 嬲t 1 1 ef o l l o w i l 培t w o s e c t i o n so fw o f k ： ( 1 ) m u l t i p l es h a p e sa r l ds i z e so fn a n o 一锄di i l i c r 0 - s t m c t i l r e dc y s t i n ea g g r e g a t e s ， i n c l u d i n gs p h e r e s ，r o d s ，s p i n d l e s ，d e n d r i t e s ，觚dm u l t i p o d s ，w e r ee 嬲i l ys y n t h e s i z e dj u s tb y 砌u s t i i l gt h ec o n c e n 仃a t i o n s 肌dp hv a l u e so fl - c y s t e i n es o l u t i o n su i l d e ru l t r a s o i l i ci r r i t a t i o n i i l l p o i r t 锄t l y ，m g l l l ym o n o d i s p e r s e dn a n o s p h e r e so fc y s t i n ea g 伊e g a t e sw i t ht h es i z eo f2 2 5 mi nd i a m e t e rw i t h o ma n yo t h e rs h a p e sw e r ee 嬲i l yo b t a i n e d t h ep r o d u c el l a v eb e e n c h a r a c t 耐z e db yx r da n df t 瓜c i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c 仃ah a v eb e e nu s e dt 0m e 趿鹏 i n t e n n 0 1 e c u l a rb o n di nd i 脓e n tp ha q u e o u ss o l u t i o n 1 1 1a d d i t i o n ，w es 伽i e dt h es 协i l i t ) ro f i 瑚l o s p h e r e so fc y s t i n ea g 孕e g a t e si i ld i 虢r e n tc o n d i t i o n ( 2 ) as i m p l em e d 南ro n e - s t 印s y n m e s i so fc y s t i n e - c a p p e d9 0 l di 啪0 p 硪i c l e si l l a q u e o u ss o l u t i o na tr o o mt e r n p e r a n 鹏h a sb e e nd e v e l o p e d c y s t e i n ew a su s e d 硒r e d u c i n g a g e mi i lr e a c tp r o c e s s i n g t h et h i o lg r o u po fc y s t e i i l el m d e 略o e sd i m e r i z a t i o nt of 0 肌c y s t i n e v i at h eo x i d a t i o no ft 、o “o l 孕o u p s t h ea m i n o 孕d u po fc y s t i n ei sc o m b i n e dw i t ht h e s u r f i a c eo fg o l dn a n o p a r t i c l e st op r o t e c t i n ga i l dc o n 臼0 1 1 i n gt l l es i z eo f g o l dn a n o p a r t i c l e s t h e s h a p e 觚ds i z eo fg o l dn a r l o p a n i c l e si sc o n t r 0 1 la _ b l ej u s tb ya 由u s t i n gt h er e a c t 觚tm o l a rr a t i o ， p hv a l u e ，i o nc o n c e n 昀t i o n 锄dt e m p e r a t u r e h l 砌t i o n ，w es t u d i e dt h es 切b i l i t yo fg o l d n a i l o p a r t i c l e s i nd i 仃e r e n tc o n d i t i o n t h e a 1 1 a l y s i s o fs a i l l p l e s b yx p sp r o v i d e dm e i n f o 加伽i o nr e g 砌i n gt h ec h e r n j c a lc o m p o s i t i o no fp r o d l l c ta n dm ec h e m i c a lb o l l db e t w e e n m ea i n i n og r o u po fc y s t i n ea i l d 恤s u r 伽eo fg o l dn 锄o p a n i c l e s t 1 1 e 锄l y s i so ff t 瓜f o r s 锄p l e sc h a r a u c t e r i z e dm ev a r i a t i o no fi i i t e m o l e c u l a rh y d r o g c nb o n d so fc y s t i i l em o l e c u l e si i l d i 虢r e n tp h k e yw o r d s ：c y s t e i l l e ；c y s t i n e ；9 0 l d 彻n o p a r t i c l e s ；s o i l i c a t i o n ；b i o c o m p a t i b i l 时 i i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均 澄在文中作了明确的说舞。本声明的法律结采由本人承担。 学位论文佟者签名：韩欢臣飙砸。何 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中屋优秀祷硕士学 位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子濑舨物形式出版 发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：墼坠乡 日期：塑：垒：厂 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 透讯地址： 指导教师签名：勇当 日期：丝竺皇! 蔓： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章引言 纳米技术是指在纳米水平上对原子或分子进行操作并控制其构造，从而发现物质未 被发现的性质，进而开发其新功能的技术。纳米科技自上世纪5 0 年代提出以来，在几十 年的研究领域中迅速拓宽，目前已成为一个前沿性和交叉性的学科领域，并正以人们未能 预料的速度向前发展。纳米材料从兴起到现在，研究发展历程大致可分为以下3 个阶段 【l 】 第一阶段( 1 8 世纪中期到2 0 世纪9 0 年代初) ，在美国巴尔的摩召开的首届国际纳米 科学技术会议标志着正式把纳米技术作为材料学科的一个新的分支； 第二阶段( 1 9 9 旺1 9 9 4 年) ，第二届国际纳米材料学术会议提出了对纳米材料微结构 的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述； 第三阶段( 1 9 9 4 年至现在) ，纳米材料的特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新 的体系，即以纳米颗粒、纳米线和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装纳米 结构的体系。 纳米材料的出现为人们提供了一个从介观尺度认识物质的新途径，它所表现的独特 的物理和化学性能及潜在的应用价值，已引起人们的广泛关注，并迅速成为材料、凝集 态物理、化学、生物及医药等学科的研究重点。 1 1 纳米材料的特殊性质 纳米颗粒通常是指颗粒尺寸介于原子与物质之间的一类粉末，它的尺寸大于原子 簇，小于通常的微粉，一般在1 1 0 0n m 之间。实现对纳米颗粒的尺寸大小、粒度分布、 形状、表面修饰的控制，以及它们在光电化学中的应用，是纳米颗粒研究的关键。这种 介于微观和宏观之间的一类新的物质层次，出现了许多独特的性质【2 5 1 。 ( 1 ) 量子尺寸效应【6 j ： 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离 散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据 的分子轨道能级，使得能隙变宽。由于颗粒尺寸变小引起的宏观物理性质变化的现象称 为纳米材料的量子尺寸效应。对纳米颗粒而言，尺寸变小的同时，其比表面积办显著地 增加，表面原子的电子能级离散、能隙变宽，晶格改变，表面原子密度减少。在纳米粒 子中处于分立的量子化能级中的电子波动性带来了纳米粒子的一系列新的性质，如高的 光学非线性，特异的催化和光催化性质等非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度 减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常，如所有的金属在超微颗粒状态都 呈黑色，尺寸越小，颜色越黑，对光的反射率可低于l ；超细颗粒的熔点显著降低， 当颗粒小于1 0 衄量级时尤为明显。这些小尺寸效应为实用技术开拓了很多新的领域。 如纳米尺度的强磁性颗粒，当其颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，可 东北师范大学硕士学位论文 制成磁性钥匙、磁性车票等。 ( 2 ) 表面效应： 纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上 的变化【7 】。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其 表面积体积之比( 即比表面积) 与直径成反比。随着球星颗粒直径变小，其比表面积 将会显著增大。 艟径向街 图1 1 表面原子数与粒径的关系 从图1 1 中可以看出，粒径在1 0n m 以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1 眦 时，表面原子数比例达到约9 0 以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒 子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合 而稳定下来，固具有很高的化学活性。表面效应主要表现为熔点降低，比热增大等。 ( 3 ) 体积效应【8 】： 由于纳米颗粒体积极小，所包含的原子数很少，因此，许多与界面状态有关的诸如 吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将会与大颗粒传统材料的特性显著不同，就 不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称为体积效 应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米 面附近电子能级状态分布而提出来的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态 看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级， 并认为相邻电子能级间距6 和金属纳米粒子的直径d 的关系为： 6 = 4 e f 3 no cv - 10 0l d 3 其中，n 为一个金属纳米粒子的总导电电子数；v 为纳米粒子的体积；e f 为费米能级。 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难电阻率增大，从而使能隙变宽， 金属导体将变为绝缘体。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应： 2 嚣芏豢卜簧躜争是藏h聋童样 东北师范大学硕士学位论文 隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子 仍能穿越这势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中 的磁通量及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称之 为宏观量子隧道效应。 纳米材料的这些特性和效应，使其在光学、电子学、化学、磁学、机械和生物学等 领域具有十分重要的研究意义和广泛的应用价值。 1 2 纳米材料在生物医药的应用 纳米生物技术是指用于研究生命现象的纳米技术，它将纳米科技和生物学结合，研 究纳米尺度的生物大分子、细胞器的结构、功能和动态生物过程。纳米生物技术的应用， 为人们研究和改造生物分子的结构和功能提供了新的手段和思维方式，为基因工程中的 基因转运提供了新的手段，并且有利于科学家在纳米尺度上获取生命信息，为临床相应 疾病提供诊断和治疗的客观指标，指导临床疾病药物治疗【9 】。 ( 1 ) 药物控释纳米材料 纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收的特性，而且还具有靶向、缓释、 高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等优点，对于一些溶解速率 过快的药物，采用纳米载体制成含药的纳米脂质体、纳米囊、纳米球等，使药物微粒在 体内随着其载体的缓慢降解而逐渐溶出，从而达到药物在体内的缓慢释放，因而在药物 输送方面具有广阔的应用前景。美国密歇根大学正在研制一种仅2 0n m 的微型智能炸弹， 能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞，甚至可钻入单个细胞内将它炸鲥1 0 1 ，s h a n i l a p 等【l l 】用聚乙烯毗咯烷酮包覆紫松醇制得的纳米粒子抗癌新药，以荷瘤小鼠进行实验， 其疗效较同浓度游离紫松醇明显增加。北京医科大学等权威机构也通过生物学试验证 明，纳米羟基磷灰石粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细膨1 2 】。 ( 2 ) 纳米颗粒 纳米颗粒表面活性很高，通过纳米颗粒的表面活性作用，利用纳米技术将中药材制 成纳米粒子口服胶囊、口服液或膏药，可克服中药在煎熬中有效成分损失及口感上的不 足，使有效成分吸收率大幅度提高；将不易被人体吸收或毒性较大的药物或保健品制成 纳米胶囊或纳米粒子悬浮液，能达到极高的效费比。中国科技大学率先用纳米硒开发出 “硒旺胶囊”，生物试验证明，其急性毒性是无机硒的1 7 ，是有机硒的1 3 ，其清除羟基 自由基活性是无机硒的5 倍，清除过氧阴离子和过氧化氢的活性也大幅度提高，使其在 免疫调节和抑制肿瘤方面的灵敏性显著提耐1 3 】。 ( 3 ) 药物纳米载体 药物纳米载体也是纳米生物技术的重要发展方向之一。专利和文献资料的统计分析 表明，作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高 分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒等。磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下 集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。 ( 4 ) 纳米抗菌材料及创伤敷料 按抗茵机理，纳米抗菌材料分为三类：a 矿系抗菌材料；z n o 、t i 0 2 等光触媒型纳米 3 东北师范大学硕士学位论文 抗菌材料；c 1 8 a 纳米蒙脱土等无机材料，因其内部有特殊的结构而带有不饱和的负电 荷，从而具有强烈的阳离子交换能力，对病菌、细菌有很强的吸附固定作用，从而起到 抗茵作用。由于纳米银粒子的表面效应，其抗菌能力是相应微米银粒子的2 0 0 倍以上， 因而添加纳米银粒子制成的医用敷粒对诸如黄色葡萄球菌、绿浓杆菌等临床常见的4 0 余种外科感染细菌有较好的抑制作用。 ( 5 ) 介入性诊疗 日本科学家最近利用纳米材料，开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研 人员使用的是一种纳米级微粒子，它可以同人或动物体内的物质反应产生光，研究人员 用深人血管的光导纤维来检测这种反应产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质、 物质特性和状态，初步实验已成功检测出放进溶液的神经传达物质乙酞胆碱。利用这一 技术可以辨别身体内物质的特性，可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖 值及表示身体疲劳程度的乳酸值，并有助于糖尿病的诊断和治疗。 ( 6 ) 高性能生物诊断纳米材料【1 4 】 生物缔合纳米微球将生物分子的识别功能与纳米功能粒子的光、电、磁功能结合在 一起为高性能生物诊断材料的研究提供了巨大的潜力。两亲或两性分子在溶液中形成的 胶束、囊泡和各种组装体为功能纳米微球的组装和生长提供的良好的模板，是制备高性 能生物诊断材料的有效手段。通过对模板或组装体的控制，可以形成具有特定形状的纳 米微球。而生物分子缔合的纳米微球可直接作为定量化标记物，也可以作为底物用于多 元生物分析，还可以通过有效增强信号转换等方式在高灵敏度生物分析中显示出潜力 【1 5 】 o 功能分子、纳米微球和功能组装体在界面模板的组装为制备各类生物分析芯片提供 了良好的手段。通过微流道技术，微纳图案化技术和分子组装技术结合，人们已经实现 多生物分子在微纳尺寸，甚至单分子尺寸上的组装，制备具有集成诊断功能的生物芯片。 采用功能纳米微球作为高性能体内显影剂，增强活体分子影像诊断也成为高性能生 物诊断纳米材料的重要方向。但是在功能纳米微球全面进人临床应用前，针对纳米微球 安全性的研究将是一个重要问题，通过对无机功能纳米微球界面的复合修饰，获得高生 物相容性和生物安全性成为研究热点。 ( 7 ) 其他纳米材料在人体组织中的应用 纳米材料在医学领域的应用相当广泛，除上面所述内容外还有诸如基因治疗、生物 芯片、细胞移植、人造皮肤和血管，以及实现人工移植动物器官等方面应用的可能。瑞 士苏黎世研究室研究出一种纳米d n a 装置( 或称纳米机器人) ，即将一股d n a 链固定到另 一个超微固体( 软片) 上，然后放置于另外能互补的d n a 链。根据d n a 互补原理形成双螺 旋结构，并使这一超微结构弯曲产生足够的能量。按此原理，软片上的d n a 链能与人 相应的d n a 分子形成互补，用以识别癌细胞，从而可使癌在分子水平或几个癌细胞大 小时，即能得到早期诊断。 4 东北师范大学硕士学位论文 1 3 生物材料在纳米材料制备和组装中的应用 国内外已有很多报道，纳米材料具有特殊的生物性质，主要体现在两个方面：一方 面，从生物体整体而言，纳米材料在生物体内的分布途径及靶器官具有特殊性；另一方 面，从细胞水平来讲，与常规材料不同，纳米颗粒可以通过各种方式直接进入细胞内， 导致细胞功能的改变甚至丧失，影响细胞的正常工作。对于纳米材料而言，进行生物医 药应用必须满足生物相容性的要求。而生物性质的材料，如蛋白质、肽、d n a 、微组 织等，由于在生物相容性和可降解性方面有独特的优势，具有潜在的生物医药价值，因 此成为纳米生物材料领域关注的热点。生物性质的材料被广泛的应用于纳米材料的制备 和组装。下面分别探讨几种主要的生物性质的材料在纳米材料制备和组装中的应用。 1 3 1 肽在纳米材料制备和组装中的应用 肽纳米管的成功制备对于未来纳米生物技术的应用具有重要意义【1 6 j 。环状多肽能 够自发组装形成直径大约为l 姗的长纳米管，并且在管的内部和外部裸露着特定的化 学基团。但是用这种方法制备的肽纳米管存在孔径太小的缺点。相比较而言，由极性和 非极性块组成的线状多肽自组装生成的管状结构的直径可以达到1 0n m ，并且纳米管的 形貌可以通过引入刚性或者柔软的单体得到控制，同时通过高亲和力物质与结合位点的 结合，设计具有化学功能的多肽。例如，用富含组氨酸的h r e 片断a h h a h h 丸d 在 肽纳米管上沉积六方形的银纳米片【1 7 j 。用h g g g h g h g g g h g 或n p s s l f r y l p s d 分 别沉积铜【1 8 】和银【1 9 】。当金属离子遇到还原剂的时候，肽模板就会被自组装的单分散的 金属纳米粒子完全覆盖。最近的报道展示用h r e 标记的肽纳米管合成了形状规则、单 颗粒线状链的1 0m 金颗粒【2 0 j 。 图1 2 在肽纳米管上沉积的( a ) 六方形银纳米片1 7 1 ，( b ) 铜纳米颗粒18 1 ，( c ) 链状金 颗粒【2 0 】 北京大学的王远课题组【2 1 1 将a u 、p d 纳米颗粒成功组装到肽纳米管表面，并用肽纳米管 作为模板成功制备了单链( 图1 3a ) 和双螺旋结构的金属纳米线( 图1 3b ) 。 东北师范大学硕士学位论文 图1 3( a ) 在p h3 5 条件下组装的a u 纳米线，( b ) 制备的双螺旋结构的p d 纳米线 肽的结构很丰富，被开发作为合成和自组装有机无机纳米结构的生物模板2 2 ，2 3 1 。 这种方法在制备形貌复杂的生物相容和生物活性的结构有优势【2 4 1 。但是肽模板的一个 缺点是储存信息的水平相对低，导致合成的纳米材料形貌单一。 1 3 2d n a 在纳米材料制备和组装中的应用 d n a 分子的直径只有约2 啪，由于其热力学上的稳定性、线性的分子结构及机械 刚性等特点而成为众多化学家和材料学家关注的热点【2 5 1 。d n a 分子具有许多特殊的性 质：1 、与互补d n a 分子之间的特异识别特性，2 、长度可任意设计，3 、可以大量合成， 4 、化学和生物修饰性，5 、双链d n a 具有双螺旋结构，6 、单链d n a 分子的链状结构。 这些特殊的性质使得d n a 分子在纳米材料的组装和特殊形貌器件的制备方面具有不可 替代的作用，因此受到了人们的极大关注。 d n a 可以作为电解质把带电的纳米颗粒通过静电相互作用组装起来【2 6 】。但是研究 更多的是将d n a 连接到纳米颗粒表面进行自组装。基于d n a 纳米组装在1 9 9 6 年被首次 报道【2 7 ，2 8 1 ，寡核苷酸的巯基嫁接的金纳米颗粒展示诱导可逆聚集。美国西北大学的 m i d d n 小组将37 或57 端修饰有巯基的寡聚核苷酸与金纳米粒子结合，通过碱基对之间的 配对实现了对金纳米粒子的可控组装。将不同的d n a 单链修饰的金溶胶相互混合，再 加入同时和两个d n a 单链互补的自由单链，靶片段就会与金纳米颗粒上的寡核苷酸探 针互补从而形成由双链多核苷酸相互连接而成的宏观聚合网络结构。当温度高于解链温 度时，三链双螺旋结构就会解离。第一个d n a 拓扑配合物被提出，随后被s e e m a n 小组 实验验证【2 9 1 ，该小组集中于设计和制备双螺旋d n a 的砌块能够铺平表面，甚至通过自 组装形成可精确测量的三维纳米物体【3 0 3 1 1 。通过合理选择碱基排列顺序有可能将金纳 米颗粒连接到d n a 片段上，因此将有序d n a 的二维结构转换成模板组装特别对称的金 属纳米颗粒阵列d 2 j 。 6 东北师范大学硕士学位论文 1 l i 霞眵 斌锚释囊聃哮黟杂# 锚l 枣辱 、 d 豳爨黝。p 。酶辫黪艄捌霞麟i 。确 | 萋噶霹篆l 蝌黑；激娑：悉嚣2 图1 4 基于d n a 纳米金胶体组装的示意图 最近d i a r d i n 通过d n a 自组装获得了功能复合物，能够用于未来的相关技术系统。 例如1 0 0m 多孔的二氧化硅纳米颗粒通过三链双结合过程与1 3i l i n 金颗粒可逆连接【”j 。 这两个砌块不但尺寸不一样而且更重要的具有不同的化学和物理性质。多孔二氧化硅可 以作为多相催化的反应器、吸附剂或者调节表面的p h ，而金属纳米颗粒作为催化剂或 者微波引发的热媒【3 4 1 。d i a r d i n 将含有蛋白质等生物素衍生物的铁蛋白连接到碳纳米管 上，随后通过抗生物素蛋白链菌素与双链d n a 连接剂的相互作用将金纳米颗粒连接到 铁蛋白层上【3 5 】，展示纳米管铁蛋白金纳米颗粒结构中的生物分子桥基可以连续可逆分 解和组装。当外界环境对d n a 的刺激过于强烈，组装系统的复杂性就要增加，形成复 杂的纳米结构。例如，最近报道的金纳米颗粒与铁蛋白通过d n a 碱基配对连接形成网 状结构【3 6 1 。 图1 5d n a 诱导纳米颗粒自组装( a ) 多孔二氧化硅与金纳米颗粒组装的“卫星结构【3 3 】， ( b ) 金纳米颗粒通过抗生物素蛋白链菌素与双链d n a 连接剂的相互作用组装到碳纳米 管表面【3 5 】 d n a 能够作为生物模板生成高度有序结构，特别是在金属纳米线的生长方面【3 7 - 3 9 1 。 d n a 首先被含有水解的k 2 p t c l 4 的溶液孵育，保持d n 为6 5 ：l 。随后用二甲氨基硼烷 化学还原d n a 金属混合物，导致形状规则、连续、尺寸分布在4 士1 的p t 簇链形成， 东北师范大学硕士学位论文 电镜照片见图1 6 。所有的纳米颗粒都结合在生物分子模板上，因此呈现生物聚合物的 线状形貌。同时模板起到稳定纳米簇在d n a 上生长、防止颗粒聚集的作用。高分辨电 镜照片显示纳米簇与d n a 分子以共价键结合。 趴 争嚣 一。摹 ；羲 5 n r n 争爹” 。：耱 彰、 逝 图1 6 ( a ) 在单d n a 分子上选择性生长的p t 簇链的t e m ，( b ) 模板上p t 簇的h r l 、e m 。 d n a 部分被簇覆盖，生长形成直径在5 衄的短金属线 3 9 】 1 3 3 蛋白质在纳米材料制备和组装中的应用 蛋白质与多肽具有相似的化学性质，但是区别在于蛋白质具有精确的三维折叠结构 和连接功能特性。某些暴露在外面的氨基酸可以作为某些特殊配体形成纳米平台的结合 位点，适宜作为高效展开结构试剂在大范围内形成高度有序超结构。 蛋白质促进无机纳米颗粒成核或者组装一直处于理论研究，但是最近的研究成功制 备了肌红蛋白、血红蛋白或葡糖氧化酶功能的叶硅酸镁薄壳层结构【4 们。聚有机硅酸盐 在水中片状剥落，分解产生的阳离子低聚物能够纯化为稳定的溶胶。蛋白质外围带负电 的部分和聚有机硅酸盐低聚物之间通过静电相互作用产生了肌红蛋白、血红蛋白和葡糖 氧化酶的球形核壳杂化纳米材料，直径分别为4 、8 、6 5n m 。重要的是，在包裹的情况 下蛋白质核酶依然能够保持结构和功能。同样的方法被应用于其它体系，如含有肌红蛋 白、血红蛋白的微乳水滴与含有二氧化硅前驱体四甲氧基硅的油相接触就会发生水解 一1 | 。因此过程发生在水油界面，产生2 到3 姗厚的无定形二氧化硅壳来保存蛋白质结构 的完整性。蛋白质浓度低时，能够生成9 衄的核壳纳米颗粒。在高浓度时胶体发生聚集， 导致2 0 脚桑椹状包覆的蛋白质。 图1 7 在n a o a t 的微乳液中加入不同浓度蛋白制备的蛋白二氧化硅的纳米颗粒的电镜 照片【4 1 】( a ) p r o t e i i l d ( b ) p r o t e 耐1 0 d 8 东北师范大学硕士学位论文 铁蛋白是第一个作为合成单分散杂化无机纳米颗粒的仿生模板的蛋白质【4 2 4 3 。相似 的方法用于合成独立的空蛋白质( 脱铁铁蛋白) 壳，选择填充前驱体然后诱导无机物沉积 在直径8n m 的空腔。用金属、半导体、磁性核结构可以产生一系列的人造铁蛋白【删。 精确控制矿化步骤可以很好的调节铁蛋白空腔的填充。铁蛋白空腔内壁完全被氧化钻填 充被成功实现【4 5 1 。图1 8 展示了铁蛋白空腔被氧化钴填充的示意图。 第一步是小纳米颗粒在铁蛋白内的成核过程。金属离子通过亲水通道进入蛋白内， 与功能基团形成化学键并被还原成小颗粒。为了降低颗粒的表面张力，小颗粒发生聚集。 颗粒沿着铁蛋白空腔内壁分布( 第二步) ，与此同时分散的颗粒形成空心结构( 第三步) ， 随着c o 不断增加直至将铁蛋白空腔填满。 s t e 静5 ? _ l - - - - - - - 一 飞 遵矽 图1 8 氧化钴填充铁蛋白的示意副4 5 】 近十年来在湿化学中利用蛋白质的s 层作为模板来能够制备纳米颗粒成为研究热 点。s h e n t o n 【4 6 j 首个报道用蛋白s b s b 和s b p a 沉积c d s 。方法是将蛋白质与c d c l 2 混合溶液 孵育几个小时，然后加入水合的h 2 s 溶液反应1 到2 天，就会在蛋白的表面形成c d s 纳米 颗粒。相似的方法，还制备了a u 、p d 、n i 、p t 、p b 、f e 等纳米颗粒【4 7 ，4 8 1 。但是这种方 法的缺点是制备过程中金属纳米颗粒的尺寸和组成不能改变。通过生物分子与s 层的结 合可以将不同尺寸和组成的纳米颗粒组装到蛋白质上，如a 0 4 9 1 。由于制备的纳米颗粒 表面带有电荷，通过静电引力可以将纳米颗粒组装到蛋白质表面。 蛋白质模板纳米结构不但可以用于球形纳米材料的制备，而且蛋白质形成的各向异 性的超结构如微管或淀粉状纤维已经被作为模板去制备一维无机一有机杂化纳米结构。 例如，酵母蛋白的n 端和中间区域形成直径为9 1 1 眦的淀粉状纤维【5 0 】。这些纤维化学 性质稳定，不像其它淀粉纤维容易聚集，能够化学诱变得到修饰。n 端和中间区域含有 半胱氨酸残基能够成功自组装到纤维，并作为模板制备直径1 0 0m 左右的a 幽u 纳米 线。 蚤品 啼 一叠丽誊面 。 东北师范大学硕士学位论文 1 ：11 ：4 1 ： 6 图1 9 金晶种酵母蛋白在不同质量比下制备的金包覆的淀粉纤维 5 0 】 1 3 4 病毒颗粒在纳米材料制备和组装中的应用 病毒可以看作是蛋白质的超结构，具有丰富的表面结构，可以作为纳米材料制备的 模版，例如，球形病毒、丝状或棒状病毒等。病毒颗粒表面的蛋白质结构的氨基酸适合 作为无机物矿化和纳米颗粒组装的弹性模板。谷氨酸和天冬氨酸( p k 分别为1 3 ，6 8 ) 处于内表面，赖氨酸和精氨酸( p 磁分别为1 1 和1 2 5 ) 经常处在外表面。当p h 小于3 时，空腔可以认为中性的，且外表面带有正电荷。因此选择阴离子前驱体如a u c l 4 或 p t c l 4 束缚到外表面上，然后用还原剂还原形成病毒粒子修饰的高密度的金属纳米阵列 垆1 | 。相似的方法用于合成均一的氧化铁、硫化镉或硫化铅、二氧化硅包裹的病毒颗粒【5 2 】。 在中性p h 下，外部氨基酸带正电荷，而内部空腔带有负电荷。在这种情况，束缚a r 在内部孔道，光化学还原导致空腔中形成4 眦银颗粒线状阵列【5 1 1 。上述的原则被应用 去产生空腔尺寸限制的金属纳米线【5 3 ，”】。 b 图1 1 0 野生番茄斑纹病毒生成的金纳米颗粒的电镜照片川( a ) 金纳米颗粒包裹的番茄 斑纹病毒棒的低倍数照片，标尺= 1 0 0l l i n ，( b ) 金纳米颗粒包裹的单个番茄斑纹病毒棒 的照片，标尺= 5 0 衄 1 0 东北师范大学硕士学位论文 图1 1 1 将n a o h 加入f e 2 + 伊e 3 + 的病毒颗粒溶液中制备的氧化铁包覆的番茄斑纹病毒棒 【5 2 1 ( a ) 初始产物( b ) 产物熟化6 个月后，标尺= 1 0 0 衄 1 3 5 组织在纳米材料制备和组装中的应用 生物组织的矿化研究是仿生材料化学最受关注的热点【5 5 】。生物组织的尺寸适合制 备微米和亚微米的无机纳米材料。b a c i l l u ss u b t i l i s 的线状多细胞细菌丝从培养基中吸取 出来直接用无定形二氧化硅或者预水解的硅氧烷直接过滤，丝内空间矿化产生紧密包裹 细胞的杂化线，使其镶嵌在二氧化硅的母体中，制备出与细菌线形超结构相同的多孔二 氧化硅纤维i 5 6 | 。 图1 1 2 ( a ) 菌丝间被大孔道二氧化硅填充的低倍数照片，( b ) 没有填充二氧化硅的菌 丝空间的高倍数照片，( c ) 形成连续的二氧化硅壁，并且包裹菌丝【5 6 】 s w e e n e y 用细菌细胞合成了尺寸在2 到5m 的c d s 纤维晶体结构的纳米颗粒岭7 | 。 m i r k i n 用活真菌的菌丝作为动力模板组装金纳米颗粒【5 8 】。将寡聚核苷酸修饰的金纳米颗 粒分散到母液中，然后加入a s p e 晒1 1 u s1 1 i g e r 丝状真菌。经过发育，菌丝长为枝状，金纳 米颗粒通过静电引力和化学作用连接到菌丝表面。寡聚核苷酸修饰的金纳米颗粒能够作 为模板，通过d n a 双螺旋结构的形成来构建第二层纳米颗粒。扩展这个方法到其它的 真菌，能够制成直径在8 0 0i 吼到1 2 岫的管状模板。图1 1 3 是该组装的示意图。 东北师范大学硕士学位论文 豢羔斗豢 糍鼢 二零夔霪熬谚磷 鬟鬟3 一 图1 1 3 用活菌丝作为模板组装寡核苷酸修饰的金纳米颗粒成为微结构的示意刚5 8 】 2 0 0 3 年p r i c e 等人【5 9 1 用磷脂微管组织模板制备出了纳米级的金属铜螺旋结构，这种 方法可能还可以扩展制备铁、钴、镍、银、金以及它们的合金等。 1 4 金纳米颗粒制备 金纳米微粒以其独特的稳定性、小尺寸效应、量子效应和表面效应等特点，在d n a 传感器、分子识别、纳米电极等许多高新技术领域有着重要的理论和应用价值 6 0 删，受 到人们极大的重视和研究。方法简单，单分散性好，粒径可控的金纳米颗粒的制备方法 一直是材料化学家追求的目标。 1 4 1 传统制备金纳米颗粒的方法 自从1 8 5 7 年，f 黜a d a y 报道了用c s 2 还原a u c l 4 。水溶液制备深红色的金溶胶以来 6 5 ， 金纳米颗粒的制备方法一直是研究的热点。金纳米粒子的制备始于纳米科技开始发展的 8 0 年代末9 0 年代初。到目前为止，除了经典的f r e n s 法m 】，已经发展了许多制备金纳 米粒子的方法，总体上可分为物理法和化学法。物理法中真空蒸镀是一种较常见的制备 方法，即在真空中高温加热或用等离子体将金原子蒸发，使其在冷的固体基底上冷凝， 制得纳米尺寸的金粒子【6 7 】。但此法较难控制金粒子的粒径和形状。因此，在此基础上 产生了软着陆的制备方法，即在蒸镀过程中是在氩气流中产生金纳米粒子，金原子沉积 在表面有一层氩气的冷基底上。这样获得的金纳米粒子在外形上更趋于球形，一致性更 好。此外，还运用激光消融法制备纳米金粒，即用激光烧蚀在s d s ( 十二烷基硫酸钠) 水 溶液中的金盘以获得金纳米粒子，在制备过程中使用表面活性剂以阻止金纳米粒子的重 新聚集，此法可制备尺寸为1 5 砌的金粒子【6 8 1 。但是物理方法对设备的要求较高，得 到的粒子尺寸分布很广，大大的限制了这类方法的应用，远远没有化学方法应用广泛。 化学法是以金的化合物为原料，利用还原反应生成金纳米粒子，通过控制反应条件， 来制备所需尺寸的颗粒。化学法主要包括：液相还原法、晶种法、微乳法、模板法等。 ( 1 ) 液相氧化还原法 氧化还原法制备金纳米粒子通常是向a u ( i i i ) 的溶液中加入还原剂，在还原剂的作 用下，氯金酸水溶液中的金离子还原成金原子，并聚集成微小的金核。 该方法通常是在水溶液中，以鞣酸、n a b h 4 、抗坏血酸、柠檬酸钠等为还原剂，在无保 1 2 东北师范大学硕士学位论文 护剂或保护剂存在下制备金纳米微粒。最常用的t u 伙e v i c h 方法是用柠檬酸钠还原金盐， 制备尺寸在1 2 2 0 姗分布相对较窄的金颗粒惭，6 9 。柠檬酸既作为还原剂，又作为包覆试 剂。由于柠檬酸还原能力较弱，造成平均粒径较大。 b r u s t 小组【7 0 】研究了一种制备小尺寸金纳米颗粒的方法，用硼氢化钠还原金盐，用 硫醇做为包裹试剂产生1 3i l i i l 的金纳米颗粒。由于硼氢化钠的还原能力较强，生成大 量晶核加之包裹试剂强烈的抑制作用，造成颗粒较小。后来有人用b n l s t 法制备1 5 士o 4 i m 膦稳定的金纳米颗粒【7 。 聚电解质经常被用于修饰基底表面和胶体絮凝。由于聚电解质电位稳定，因此经常 被用于胶体的稳定剂。近年来，有很多用聚电解质作为金溶胶的稳定剂报道，还有用聚 电解质作为还原剂制备金颗粒。 c o p p e r 制备丙烯酸盐保护的金溶胶和金聚合物薄膜【_ 7 2 】。将丙烯酸盐或聚丙烯酸盐 与氯金酸混合回流3 0i i l i n ，制备出丙烯酸盐保护的金水溶胶。丙烯酸盐制备的金颗粒从 形状、大小、稳定性上都与柠檬酸制备的金颗粒相仿。而聚丙烯酸盐稳定性较好，但大 小不均一，并随聚丙烯酸盐分子量增大而变小。利用蒸发溶剂的方法制备金聚合物金黄 色薄膜，膜的颜色受金颗粒含量的影响。由于成膜后聚合物包裹金颗粒更加紧密造成光 谱红移。但这个方法的缺点是不溶的产物需要过滤转移。 图1 1 4 用丙烯酸( a ) 和分子量为2 1 0 0 的聚丙烯酸盐( b ) 制备的金颗粒的电镜照片 7 2 】 董绍俊小组近几年来，在聚电解质制备金纳米颗粒及功能化方面做了大量的工作 【7 7 8 】。将线形聚氮丙啶与氯金酸混合物加热制备金颗粒，l p e i 既做还原剂又做保护剂， 通过调节摩尔比制备出不同颜色的金溶胶，制备了棒状和六边形金颗粒【7 3 】。将磺酸乙 硫醇与氯金酸的甲醇溶液混合加入硼氢化钠，制备出磺酸乙硫醇保护的金颗粒【75 l 。磺 酸乙硫醇通过巯基与金结合，磺酸乙硫醇通过磺酸强烈的亲水作用使配体间或单层保护 的金银颗粒之间形成氢键，造成颗粒的聚集。由于磺酸乙硫醇保护的金颗粒具有聚阴离 子的性质，通过层与层组装与聚苯胺形成多层膜。董绍俊小组首次报道用季铵盐制备金 属颗粒l7 6 1 ，开辟了含氨基的季铵盐。p d d a ( 氯化聚( 二烯丙基一1 ，5 一己二烯一甲氮 基) ) 作为还原剂和保护剂制备金属颗粒的新的应用领域。验证了在碱性条件下才能成 功制备金纳米颗粒，并且证明升高温度能加速反应的发生。 s h o n 制备用硫代硫酸( 四辛基铵) 保护的金颗粒【7 9 】。由于硫代硫酸与金颗粒表面 强烈的相互作用，造成基元共振峰宽化。氰化物降解和热处理实验表明硫代硫酸( 四辛 东北师范大学硕士学位论文 基铵) 保护的金颗粒具有很强的化学和热稳定性。r v o u t a 用咪唑翁磺酸盐作为包裹试 剂制备出两性离子液体保护的金颗粒【8 们。氯金酸的甲醇溶液与硼氢化钠、咪唑翁磺酸 盐混合溶液强烈搅拌制备出不溶于有机溶剂和水，但溶于电解质溶液中的两性离子液体 保护的金颗粒。两性离子液体保护的金颗粒的在高浓度电解质、离子液体、蛋白质都很 稳定。 d r a v i d 用简单的一步法合成用氨基稳定的水溶性的金纳米颗粒【8 1 】。加热油胺( 十 八烯胺) 与氯金酸混合溶液5 0 ，通过调节油胺氯金酸摩尔比可以控制粒子大小，随 摩尔比增大而减小，通过x p s 可以确认氨基与金颗粒表面结合。并指出胺与a g 、c o 、 c u 的氯化物不反应，只与氯金酸反应。并且金颗粒的大小受胺浓度的影响，在反应开 始金胺络和物形成，金颗粒被胺分子强烈保护防止聚集。 ( 2 ) 晶种法 晶种法是通过晶种合成及晶种长大分步反应制备金纳米微粒，由于在晶种长大过程 中可以避免新的晶核生成，该方法比一步法得到的微粒的粒径分布窄。n a t a l l 等 8 2 ，8 3 】曾 以柠檬酸钠还原h a u c l 4 制得粒径为5 0 士51 1 i n 、长短轴之比为1 1 的水相胶体金。再以此 胶体金为晶种，加入适量的h a u c l 4 及羟胺，利用金纳米微粒表面的自催化反应使晶种 逐渐长大。通过